了解加筋土技術
Understanding Reinforced Soil Technology
 

1 加筋土技術的發展歷程

       加筋土的應用具有悠久的歷史。公元前3000年以前，人類就開始利用加筋土技術修筑道路。我國是加筋土的故鄉，自古以來，筑土墻加草筋、用柴排處理軟弱地基、用土袋或樹枝壓條加固堤岸等，都是對加筋土技術的實踐。戰國中期成都都江堰工程中使用的“竹籠”，就是纖維材料與土石材料合成應用，并沿用了兩千多年。

        現代加筋土理論是由法國工程師Henri Viadal于20世紀60年代初提出的，并于1963年首先公布了其研究成果，1965年法國在比利牛斯山的Prageres修建了世界上第一座加 筋土擋墻。由于加筋土技術在法國的成功應用，引起了世界各國工程界、學術界的重視，其發展速度相當快，應用范圍也日益廣泛。1979年德國《地下建設》雜志將加筋土譽為“繼鋼筋混凝土之后又一造福人類的復合材料”。
隨后加筋土技術在日本、美國、加拿大及歐洲各國得到大量的推廣應用。理論技術日趨成熟，加筋土的原理中應用領域也由公路擋墻的發展應用到橋臺、護岸、堤坎、建筑基礎、鐵路路堤、碼頭、防洪堤、水庫、尾礦壩、儲倉及庫用設計等多個領域。
20世紀70年代是加筋土技術在世界范圍內傳播、發展的階段。相應的試驗、研究工作也同時進行。20世紀80年代以后，美國、法國合作利用離心機進行模擬試驗，以了解不同的筋材、面板剛度、地基土的壓縮性以及不同的超載和填料對加筋土結構內穩定的影響，并利用有限元法對加筋土結構的設計和試驗成果進行數值分析。
20世紀70年代后期現代加筋土技術引入我國后，1979年云南省煤炭設計院在云南田壩礦區建成我國第一座加筋土擋墻儲煤倉。因其結構簡單、施工容易、造價節省、對地基承載力要求低、外形美觀等特點，引起了我國土木建筑行業技術人員的興趣。 　　
       時至今日，在我國各省、市、自治區參與修建的加筋土工程已逾千項。隨著加筋土理論日益完善，加筋土技術已受到廣大巖土工作者的青睞，我國的加筋土事業也逐漸蓬勃發展。

2 加筋土結構的基本原理
       土體具有一定的抗壓強度和抗剪強度，其拉強強度卻很低。在土體中摻入或鋪設適量的加筋材料形成加筋土后，可以不同程度地改善土體的強度與變形特征。將加筋材料埋置在土體中，可以擴散土體的應力、增加土體模量、傳遞拉應力、限制土體側向變形，同時還增加土體和其他材料之間的摩阻力，提高土體及有關結構物的穩定性。因此，在填土中加入抗拉材料，通過摩阻力將加筋材料的抗拉強度與土體的抗壓強度結合起來，增強土體的穩定性，使土體的整體強度得以提高。這種整體復合結構內部存在著對墻（坡）面的土壓力、加筋材料的拉力，以及填土與加筋材料間的摩擦力等相互作用的內力，它們之間相互平衡，從而保證了這個復合體的穩定。
對于土體加筋后強度和穩定性提高的原因，世界各國進行了廣泛的研究，通過對土體的三軸試驗和現場測試，得出了各種筋土之間的相互作用機理。到目前，筋—土之間的相互作用的基本原理大致可分為下列幾類，其中主要為前兩類，即摩擦加筋原理和準粘聚力原理。

1.1摩擦加筋原理
      根據加筋土復合體中筋—土之間的基本構造，取加筋體中一微段（如下圖）所示來分析，說明如下：

　　微元體長為dl，筋材左截面受力為P1，筋材右截面受力為P2，壓住筋材的法向應力為σ，f為筋材與土之間摩擦系數， b 為筋帶寬度， 略去筋帶重量和微元體土體重量。
　　土的水平推力在該微元段筋材中所引起的拉力為 dT，則 dT＝P1－P2。 設d F為土粒與筋材在該微元段上產生的總摩擦力，則有：
dF=2σf b dl　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1--1
根據該微元體的受力分析，可知， 如果
dF＞ dT　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　   1--2
　　則筋－土之間就不會產生相互錯動。 或者說，土的水平推力被筋－土間的摩擦力所克服，微元體保持穩定。反之則不能保持穩定。
　　從上式可知，筋材材料要滿足兩點要求，即一是表面要粗糙，摩擦系數大，使筋—土之間產生足夠的摩擦力，二是要有足夠的強度和彈性模量，前者是保證在筋—土之間產生錯動前筋材不會被拉斷，后者保證筋材的變形與土體的變形大致相一致。
　　在加筋土墻穩定分析中，墻體由于受到土體的推力產生破壞時（可先假定將加筋土看成無筋土體），依據郎金土壓力理論，沿主動破裂面AB將墻體分為主動區和穩定區。下滑土棱體ABC自重產生的水平推力對每一層筋材形成拉力T，欲將筋材從土中拔出，而穩定區土體與筋帶的摩擦阻力阻止筋材被拔出。如果每一層筋材與土體摩擦阻力均能抵抗相的土推力，則整個墻 體就不會出現AB滑動面，加筋土的內部穩定有保證。
　　設每層筋帶所受的土體的水平推力為T，那么
 
　　式中：L2——筋材在穩定區的長度，其它符號同上，
　　上式為判定加筋體穩定與否的必要條件。
　　按上述的摩擦加筋原理分析，筋材的工作類似于通過筋帶結構錨固在穩定土體中，所以，穩定區又稱為錨固區，筋材在穩定區的長度L2稱為錨固段長度或有效長度。摩擦加筋原理由于概念明確、簡單，在加筋土擋墻的足尺試驗中得到較好的驗證。因此，在加筋土的實際工程中，特別是加筋土擋墻工程中得到較廣泛的應用。但是，摩擦加筋原理忽略了筋帶在力作用下的變形，也未考慮土是非連續介質、具有各向異性的特點。所以，對高模量的加筋材料，如金屬加筋材料比較適用，對加筋材料本身模量較小、相對變形較大的合成材料（如塑料帶等），則是比較近似的。

1.2準粘聚力原理

圖3　加筋土與無筋土強度曲線

       加筋土結構可看作是各向異性的復合材料，一般情況下筋材的彈性模量遠遠大于填土的彈性模量，筋材與填土共同工作，外側強度包括了填土的抗剪強度、填土與筋材的摩阻力和筋材的抗拉力等共同作用，使得加筋土的強度明顯提高。這一點在加筋砂圓柱土樣與未加筋砂圓柱土樣三軸對比試驗中得到證實。
　　砂土試樣在單軸壓力下受到壓密，土樣側向在側壓力作用下發生側向應變。如果在土樣中布置了筋材，由于筋材對土體的摩擦阻力，當土體受到垂直應力作用時，在筋材中將產生一個軸向力，起著限制土體側向變形的作用，相當于在土中增加了一個對土體側壓力的反力，使土的強度提高。根據維達爾等人的試驗研究，加筋土的強度與土的抗剪強度、土與筋材之間的摩擦系數、筋材的抗拉強度、筋材的數量等有關。加筋土在受力變形過程中可能出現筋材抗拉極限狀態、筋材與填土之間的摩擦—粘著極限狀態以及填土抗剪極限狀態。加筋土的強度分析主要針對前兩處，第三種只有當筋材與填土的彈性模量相近時才會出現。

　　加筋砂樣比無筋砂樣強度提高，可根據庫侖理論和摩爾破壞準則來加以闡明。 根據庫侖理論，土的極限強度為
τf ＝ σ tgφ＋C                                        1--4
式中τf――土的極限抗剪強度 σ ――土體上受到的正應力
C ――土的凝聚力 
φ ――土的內摩擦角 
當C＝0時為砂土，C≠0時為粘性土 
　　設σ1f 為土樣破壞時的最大主應力， σ3為土樣側面的最小主應力。根據土樣破壞時土樣的摩爾園與土樣的庫侖強度線相切的條件，可得 
σ1f =σ3 tg2 (450 +φ/2) +2 c tg(450 +φ/2)                      1--5
　　在三軸對比試驗中，如果未加筋砂土樣在σ1、σ3作用下達到極限平衡，并為破壞時的應力狀態，保持σ3不變，對于加筋砂樣在相同的應力下未破壞，而是當增大至時才能達到極限破壞狀態。砂樣在加筋前后的內摩擦角φ值不變，但加筋后土的強度提高了。
　　比較未加筋砂和加筋砂試驗的極限平衡條件，加筋砂多了一項由C’引起的強度增加，或者說承載力增加。從三軸對比試驗的結果來看，加筋砂與未加筋砂的強度線幾乎完全平行，說明加筋前后砂樣的內摩擦角φ值基本不變，但加筋砂的強度曲線不通過σ—τ坐標原點，而與縱坐標軸τ相截，其截距C’相當于上式1--4中的C，或者說，式1--4對于加筋砂土的強度是成立的。因此，可以認為，加筋砂土力學性能的改善是由于新的復合土體具有某種“粘聚力”的緣故。砂土本身是沒有這個“粘聚力”的，而是砂土加筋后的結果。在試驗中對加筋砂樣施加的側向壓力為σ3，而實際上砂樣受到的側壓力是σ3+Δσ3，而Δσ3正是由于砂與筋材間的摩阻而產生的，但在最后結果的表述中卻被“C”所代替。事實上它不是粘聚力，而是加筋土的強度增量。為了表達方便，我們將這個“粘聚力”稱為“準粘聚力”或“似粘聚力”，它反映了加筋土這個復合土體本身的材料特性。將C’看作加筋土的強度增量，用該原理不但可分析加筋砂的工作機理，同樣可用來分析粘土類加筋土。下面來分析導出C’的計算公式。
　　把加筋砂的三軸試驗當作無筋砂試驗，但相應的σ3用σ3+Δσ3代替，當其達到極限平衡狀態時，有
σ1f =（σ3+Δσ3） tg2 (450 +φ/2)                            1--6
σ1f =σ3 tg2 (450 +φ/2) +Δσ3 tg2(450 +φ/2)        1--7
比較2—5和2-7式，可得
2 c tg(450 +φ/2)  =Δσ3 tg2(450 +φ/2)則有
C =（Δσ3 /2）tg (450 +φ/2 )                              1--8
Δσ3為等效應力增量，它是由加筋砂土體中的筋材產生的，無法直接測得，可示為
                                1--9
　　取三軸試驗破裂時的土體為脫離體，作用在脫離體上的作用力有：軸向應力σ1（破壞時為σ1f）、水平應力σ3、筋材拉力T、破裂面上土的反作用力R。破裂時R與破裂面的夾角為φ，破裂面與水平面的夾角為450 +φ/2。
　　設A為試件的截面積，Rf 為每層筋材單位寬度加筋土中筋材的抗拉力，Sy 為加筋土體中筋材層的豎向間距，則筋材拉力，
 
　　試驗結果得出，加筋土的似粘聚力發展很快，對于0.2%的軸向變形，C’就可以達到80%的極限值，軸向變形到2%時，加筋層的抗拉強度已全部發揮作用。